Στατική έναντι Δυναμικής Ισορροπίας
Η ισορροπία είναι μια έννοια που χρησιμοποιείται σε διάφορους κλάδους, για να εκφράσει μια ισορροπία μεταξύ δύο αντίθετων δυνάμεων σε ένα υπό εξέταση σύστημα.
Σε αυτήν την περίπτωση, η στατική ισορροπία και η δυναμική ισορροπία είναι δύο καταστάσεις ενός φυσικού συστήματος όπου δύο ή περισσότερες ιδιότητες βρίσκονται σε ισορροπία. Αυτές οι περιπτώσεις διερευνώνται ειδικά στη μηχανική, αλλά και στη φυσική χημεία.
Τι είναι η Στατική Ισορροπία;
Σε γενική έννοια, η στατική ισορροπία ορίζεται ως μια κατάσταση στην οποία τόσο οι μακροσκοπικές όσο και οι μικροσκοπικές ιδιότητες ενός συστήματος παραμένουν αμετάβλητες με το χρόνο.
Στη μηχανική, ένα σύστημα χωρίς προκύπτουσα δύναμη που ασκεί πάνω του μπορεί να θεωρηθεί σε κατάσταση ισορροπίας. Αρκεί να πούμε ότι αν, • Το διανυσματικό άθροισμα όλων των εξωτερικών δυνάμεων είναι μηδέν. ∑ →FEXT=0
• Το άθροισμα των ροπών όλων των εξωτερικών δυνάμεων για οποιαδήποτε ευθεία είναι μηδέν, ∑ →GEXT=0
τότε το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία. Επιπλέον, εάν η ταχύτητα του συστήματος είναι επίσης μηδέν (δηλαδή →V=0), τότε το σύστημα βρίσκεται σε στατική ισορροπία.
Για παράδειγμα, σκεφτείτε ένα αντικείμενο που βρίσκεται σε ένα τραπέζι μέσα σε ένα δωμάτιο. Οι εξωτερικές δυνάμεις στο αντικείμενο, ή η βαρυτική έλξη (δηλαδή το βάρος), αντισταθμίζονται από την αντίδραση στο αντικείμενο από το τραπέζι. Επίσης, η αντίδραση και το βάρος είναι στην ίδια γραμμή, οπότε δεν παράγονται ροπές. Επίσης, το τραπέζι είναι στο έδαφος σε ένα δωμάτιο, και δεν κινείται. Επομένως, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το βιβλίο βρίσκεται σε στατική ισορροπία.
Τι είναι η Δυναμική Ισορροπία;
Η δυναμική ισορροπία μπορεί γενικά να οριστεί ως μια κατάσταση ενός συστήματος όπου οι μακροσκοπικές ιδιότητες παραμένουν αμετάβλητες ενώ οι μικροσκοπικές ιδιότητες αλλάζουν.
Στη μηχανική, μπορεί να οριστεί συγκεκριμένα ως μια κατάσταση ενός συστήματος όπου το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία, αλλά η ταχύτητα δεν είναι μηδενική (δηλαδή το σύστημα κινείται με σταθερή ταχύτητα). Επομένως, • ∑→FEXT=0
• ∑→GEXT=0
• →V ≠ 0
Σκεφτείτε ξανά το τραπέζι και το αντικείμενο, αλλά αντί για δωμάτιο, τοποθετείται μέσα σε μια καμπίνα ενός τρένου που κινείται με σταθερή ταχύτητα.
Στο πλαίσιο της θερμοδυναμικής, εάν η θερμοκρασία ενός συστήματος παραμένει αμετάβλητη (δηλαδή η ενέργεια του συστήματος παραμένει αμετάβλητη) ενώ η θερμότητα και η μεταφορά εργασίας λαμβάνουν χώρα. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι το άθροισμα της εισροής εργασίας και της εισροής θερμότητας να είναι ίσο με το άθροισμα της παραγωγής εργασίας και της παραγωγής θερμότητας.
Σε ένα χημικό σύστημα, η δυναμική ισορροπία συμβαίνει όταν η προς τα εμπρός και η αντίστροφη αντίδραση συμβαίνουν με τον ίδιο ρυθμό σε μια αναστρέψιμη αντίδραση. Η συγκέντρωση των αντιδρώντων και των προϊόντων παραμένει αμετάβλητη, αλλά και πάλι ορισμένα από τα αντιδρώντα μετατρέπονται σε προϊόντα και τα προϊόντα μετατρέπονται σε αντιδραστήρια. Αλλά αυτές οι δύο αντίθετες διαδικασίες συμβαίνουν με τον ίδιο ρυθμό.
Για παράδειγμα, εξετάστε το σύστημα NO2 και N2O4. Όταν NO2 αέριο συμπιέζεται σε ένα δοχείο, η αύξηση της πίεσης προκαλεί πόλωση του συστήματος προς τα εμπρός και N2O Το 4 παράγεται για να μειώσει τον αριθμό των μορίων και τελικά να μειώσει την πίεση. Αλλά σε κάποιο σημείο, η μπροστινή αντίδραση φαίνεται να σταματά και η παραγωγή N2O4 φαίνεται να σταματά. Οι συγκεντρώσεις (ή η μερική πίεση) του συστήματος παραμένουν αμετάβλητες. Αλλά σε μοριακό επίπεδο το NO2 μετατρέπεται σε N2O4 και αντίστροφα.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ Στατικής και Δυναμικής Ισορροπίας;
• Στη στατική ισορροπία, τόσο οι μικροσκοπικές όσο και οι μακροσκοπικές ιδιότητες παραμένουν αμετάβλητες ενώ, σε δυναμική ισορροπία, οι μικροσκοπικές ιδιότητες αλλάζουν ενώ οι μακροσκοπικές ιδιότητες παραμένουν αμετάβλητες.
• Στη μηχανική, ένα σύστημα χωρίς μη ισορροπημένες εξωτερικές δυνάμεις και εξωτερικές ροπές μπορεί να θεωρηθεί ότι βρίσκεται σε ισορροπία. Επιπλέον, εάν το σύστημα είναι ακίνητο, είναι σε στατική ισορροπία και αν κινείται με σταθερή ταχύτητα, είναι σε δυναμική ισορροπία.
• Σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα, εάν η θερμοκρασία είναι σταθερή και η είσοδος και η έξοδος μεταφοράς θερμότητας και μάζας είναι σε ίσους ρυθμούς, το σύστημα βρίσκεται σε (δυναμική/θερμοδυναμική) ισορροπία.
• Σε ένα χημικό σύστημα, εάν ο ρυθμός της προς τα εμπρός αντίδρασης και της προς τα πίσω αντίδρασης είναι ο ίδιος, το σύστημα λέγεται ότι βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία.
